Investigation of the effects of latitude, altitude, and snow on solar energy gain with periodic optimum tilt angle using four province examples

Abstract

Solar energy gain of solar panels can be increased by optimizing the tilt angles periodically. This study examines the periodic optimal tilt angle changes to maximize total solar radiation on inclined surfaces in four different provinces of Turkey: Bursa, Erzurum, Antalya, and Hakkari. These provinces were selected to examine the effects of latitude, high altitude, and snow cover. Monthly and annual total solar radiation incident on a horizontal surface was calculated for 1, 2, 3, and 4 optimal tilt angle periods for each province. Period durations were adjusted to maximize gains in each province rather than being of equal length. Results indicate that dividing the year into two tilt angle periods provides the greatest gains for each province, while the additional gains from three and four periods are limited. For instance, in Bursa, selecting two, three, and four tilt angle periods yields annual solar radiation gains of 4.54%, 4.79%, and 5.26%, respectively. The study shows that selecting the optimal seasonal angle in snowy regions provides greater benefits. In Erzurum and Hakkari, where snow cover is prolonged, maintaining high tilt angles for six months is beneficial, while in Antalya and Bursa, with minimal snowfall, seven months of high tilt angles yield better results. In the four-period application, selecting two months each for spring and autumn in Bursa, Antalya, and Hakkari is advantageous. In conclusion, enhancing the efficiency of solar energy systems requires determining optimal tilt angles and periods based on the geographical and climatic characteristics of each province. This approach will maximize the benefits of solar energy in Turkey's diverse regions.

Keywords

• Solar radiation
• solar panel
• seasonal optimum tilt angle
• latitude
• altitude
• snow

Ethical Statement

I declare that all processes of the study are in accordance with research and publication ethics, and that I comply with ethical rules and scientific citation principles.

Dönemsel optimum eğim açısıyla güneş enerji kazancında enlem, rakım ve karın etkisinin dört İl örneğiyle incelenmesi

Abstract

Güneş panellerin topladığı güneş enerjisi eğim açılarının belirli dönemler halinde optimize edilmesiyle artırılabilir. Bu çalışmada, Türkiye'nin farklı coğrafi ve iklim koşullarına sahip bölgelerinde, yıllık dönemsel optimum eğim açısı kullanılarak güneş enerjisi kazancında, enlem, rakım ve kar örtüsünün etkileri incelenmiştir. Bursa, Erzurum, Antalya ve Hakkâri illeri, enlem, yüksek rakım ve kar örtüsünün etkilerini karşılaştırmaya olanak sağlayan coğrafi ve iklimsel özelliklere sahip iller olarak seçilmiştir. Her il için 1, 2, 3 ve 4 dönemli optimum eğim açısı dönem başlangıç ve bitiş ayları manuel olarak değiştirilerek yıllık maksimum güneş enerji kazancı sağlanacak şekilde belirlenmiştir. Sonuçlar, yılın iki eğim açısı dönemine ayrılmasının her il için en büyük kazancı sağladığını, üç ve dört dönemli ayrımların ek getirisinin sınırlı kaldığını göstermektedir. Örneğin, Bursa’da iki, üç ve dört eğim açısı dönemi seçimi yıllık güneş ışınımında sırasıyla %4,54, %4,79 ve %5,26 kazanç sağlamaktadır. Dönemsel optimum açı seçiminin karlı bölgelerde daha fazla fayda sağladığı görülmüştür. Kar örtüsünün uzun sürdüğü Erzurum ve Hakkâri’de, yüksek eğim açılı dönemlerin 6 ay tutulması, kar yağışının az olduğu Antalya ve Bursa’da ise 7 ay tutulması daha yüksek güneş ışınımı kazancı sağlamaktadır. Dört dönemli uygulamada, bahar ve sonbahar dönemlerinin Bursa, Antalya ve Hakkâri için ikişer ay seçilmesi avantajlıdır. Sonuç olarak, güneş enerjisi sistemlerinin verimliliğini artırmak için her ilin coğrafi ve iklimsel özelliklerine göre optimum eğim açısı ve dönem değişimlerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu yaklaşım, Türkiye’nin farklı coğrafi ve iklim koşullarına sahip bölgelerinde güneş enerjisinden maksimum fayda sağlanmasını mümkün kılacaktır.

Keywords

• Güneş ışınımı
• güneş paneli
• dönemsel optimum eğim açısı
• enlem
• rakım
• kar

Ethical Statement

Çalışmanın tüm süreçlerinin araştırma ve yayın etiğine uygun olduğunu, etik kurallara ve bilimsel atıf gösterme ilkelerine uyduğumu beyan ederim.

References

1. Ang TZ, Salem M, Kamarol M, Das HS, Nazari MA, Prabaharan N (2022) A comprehensive study of renewable energy sources: Classifications, challenges and suggestions. Energy Strategy Reviews 43:100939. https://doi.org/10.1016/j.esr.2022.100939
2. Pourasl HH, RV Barenji, Khojastehnezhad VM (2023) Solar energy status in the world: A comprehensive review. Energy Reports 10:3474-3493. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.10.022
3. Endiz MS, Coşgun AE (2023) Assessing the potential of solar power generation in Turkey: A PESTLE analysis and comparative study of promising regions using PVsyst software. Solar Energy 266:112153. https://doi.org/10.1016/j.solener.2023.112153
4. Bakirci K (2012) General models for optimum tilt angles of solar panels: Turkey case study. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16(8):6149-6159. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.07.009
5. Atlım F, Esen B, Demirtaş M (2019) Balıkesir ilinde farklı iki GES tesisinin panel yerleşimi açısından verimliliklerinin karşılaştırılması. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 21(2):679-696. https://doi.org/10.25092/baunfbed.636967
6. Bakirci K (2020) Yüzey eğimlerinin güneş enerjisi potansiyeline etkisi. Tesisat Mühendisliği Dergisi 175:30-38.
7. Çağlar A (2018) Farklı derece-gün bölgelerindeki şehirler için optimum eğim açısının belirlenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 22(2):849-854. https://doi.org/10.19113/sdufbed.9489
8. Dal AR (2021) Güneş enerji panellerindeki optimum eğim açısının verime etkisinin incelenmesi. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 8(1):241-250. https://doi.org/10.35193/bseufbd.878795

9. Dal AR (2021) Yat limanlarındaki güneş enerji santralleri panel eğim açısı değişiminin elektrik üretimi açısından incelenmesi. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi 9(4):1113-1127. https://doi.org/10.29130/dubited.869639
10. Güner E (2023) Iğdır ilinde güneş enerjisi uygulamaları için optimum panel eğim açısının belirlenmesi. Journal of the Institute of Science and Technology 13(4):2905-2914. https://doi.org/10.21597/jist.1314641
11. Kaba MY, Seyhan AK, Celen P, Celen A (2022) Farklı eğim açılarında güneş kollektörlerinin enerji ve ekserji analizi: Erzincan ili örneği. Konya Journal of Engineering Sciences 10(3):634-648. https://doi.org/10.36306/konjes.1096936
12. Koçer A, Şevik S, Güngör A (2016) Ankara ve ilçeleri için güneş kolektörü optimum eğim açısının belirlenmesi. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi 21(1):63-78. https://doi.org/10.17482/uujfe.80088
13. Yağlı H, Koç Y (2020) Gaziantep bölgesi için güneş enerjisinden elektrik üretiminde kurulacak panellerin optimum eğim açılarının belirlenmesi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi 19:475-483. https://doi.org/10.31590/ejosat.733530
14. Yücel M, Kılıçarslan Y, Yıldırım M (2018) Güneş takip sistemiyle çalışan güneş panellerin sulama uygulamasında verimlilik düzeyleri. ÇOMÜ Ziraat Fakültesi Dergisi 6:123-130.
15. Arslan F, Türkdoğan S (2022) Kamu binalarında çatı üzeri fotovoltaik panel kurulum potansiyelinin belirlenmesi ve enerji üretim artışı için mimari tasarımın ele alınması: Yalova ili örneği. Journal of Innovative Engineering and Natural Science 2(2):76-94. http://dx.doi.org/10.29228/JIENS.63060
16. Liu B, Jordan R (1960) The interrelationship and characteristic distribution of direct, diffuse and total solar radiation. Solar Energy 4(3):1-19.
17. Liu B, Jordan R (1961) Daily insolation on surfaces tilted towards equator. Journal of ASHRAE 10:53-59.
18. Yiğit A, Atmaca İ (2010) Güneş Enerjisi. Alfa Aktüel Yayınları, Bursa
19. T.C. Çevre Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı Meteoroloji Genel Müdürlüğü (2024), Güneşlenme süreleri. https://www.mgm.gov.tr/kurumici/turkiye-guneslenme-suresi.aspx?l=tg. Erişim 20 Temmuz 2024